JP2009521786A - LED-based multicolor polarized illumination light source - Google Patents

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Abstract

発光ダイオード(LED)は、第1波長の光を放射する。該LEDに近接した蛍光体材料は、その光の少なくとも一部を第2波長に変換する。両方の波長の光は、集光ユニットを通過する。反射偏光子は第1偏光状態にある両方の波長を透過し、それと直交した第2偏光状態にある両方の波長の光を反射する。反射偏光子によって反射された光は、角度範囲を実質的に増加させることなく蛍光体材料の方向に向けられて戻る。得られる出射光ビームは、第1波長および第2波長の偏光光を含む。一部の実施形態では、LEDのアレイは、第1波長の光を放射するLEDおよび第2波長の光を放射するその他のLEDを含む。蛍光体材料を、第1波長の光を放射するLED上に配置する。A light emitting diode (LED) emits light of a first wavelength. The phosphor material proximate to the LED converts at least a portion of the light to the second wavelength. Both wavelengths of light pass through the collection unit. The reflective polarizer transmits both wavelengths in the first polarization state and reflects light of both wavelengths in the second polarization state orthogonal thereto. Light reflected by the reflective polarizer is directed back toward the phosphor material without substantially increasing the angular range. The resulting outgoing light beam includes polarized light of a first wavelength and a second wavelength. In some embodiments, the array of LEDs includes LEDs that emit light of a first wavelength and other LEDs that emit light of a second wavelength. A phosphor material is disposed on the LED that emits light of the first wavelength.

Description

本発明は画像投影システムに使用され得る照明システムに関する。より詳細には、本発明は、偏光光を発生するための発光ダイオード(LED)などの発光素子のアレイを含む照明システムに関する。   The present invention relates to an illumination system that can be used in an image projection system. More particularly, the present invention relates to an illumination system that includes an array of light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs) for generating polarized light.

照明システムは、画像投影表示システム、液晶表示用のバックライトなどが挙げられる、多くの異なった用途に見出される場合がある。通常、投影システムは、光源、1つ以上の画像形成装置に光を通過させる照明光学部品、画像形成装置からの画像を投影するための投影光学部品および画像がその上に表示された投影スクリーンを使用する。画像形成装置は、電気的に調整され、処理されたビデオ信号によって制御される。   Illumination systems may be found in many different applications, including image projection display systems, backlights for liquid crystal displays, and the like. Typically, a projection system includes a light source, illumination optics that allow light to pass through one or more image forming devices, projection optics for projecting an image from the image forming device, and a projection screen on which the image is displayed. use. The image forming apparatus is controlled by a video signal that is electrically adjusted and processed.

白色光源、例えば、高圧水銀ランプが、投影ディスプレイシステムに使用される主要な光源であり、今なおそうである。3板式画像投影システムでは、白色光ビームは赤、緑および青の3原色チャネルに分割され、各色に対する画像を生成するそれぞれの画像形成装置パネルに向けられる。得られた原色化画像ビームは、ディスプレイに投影されたフルカラー画像ビームに合成される。一部のその他の投影システムは、単一の画像パネルを使用し、1原色光がどの時点でも画像形成装置に入射するように白色光をフィルタにかけるために、回転カラーホイール、または幾つかのその他の種類の時系列的カラーフィルタが使用される。パネルに入射した光は逐次的に色を変遷し、入射光と同期して着色された画像を形成する。観察者の目は逐次的に着色された画像を統合し、フルカラー画像として認識する。   White light sources, such as high pressure mercury lamps, are still the main light sources used in projection display systems. In a three-plate image projection system, a white light beam is split into three primary color channels of red, green, and blue and directed to a respective image forming device panel that produces an image for each color. The resulting primary color image beam is combined with the full color image beam projected onto the display. Some other projection systems use a single image panel and use a rotating color wheel or some number of filters to filter white light so that one primary color light is incident on the imaging device at any point in time. Other types of time series color filters are used. The light incident on the panel changes its color sequentially and forms a colored image in synchronization with the incident light. The observer's eyes integrate the sequentially colored images and recognize them as full-color images.

ごく最近では、発光ダイオード(LED)が白色光源の代替として考えられている。例えば、異なった照明チャネルがそれぞれの着色LED、またはLEDアレイによるエンジンで推進される。例えば、ブルーチャネルにはブルーLEDが使用され、レッドチャネルにはレッドLEDが使用される。幾つかの画像表示装置、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)は偏光光を使用しているが、一方LEDは非偏光光を生成し、そのため生成された光の半分だけがLCDに利用される。さらに、可視スペクトルの緑色領域で作動するLEDは、青色および赤色LEDと比較して比較的非効率であることが知られ、そこで多くのシステムは青色または赤色LEDよりも緑色LEDを必要とする。光が偏光されることを要求される場合、スペクトルの緑色部分における非効率性というこの問題は悪化する。   More recently, light emitting diodes (LEDs) have been considered as an alternative to white light sources. For example, different illumination channels are propelled by engines with each colored LED or LED array. For example, a blue LED is used for the blue channel, and a red LED is used for the red channel. Some image display devices, such as liquid crystal displays (LCDs), use polarized light, while LEDs produce unpolarized light, so only half of the generated light is utilized in the LCD. In addition, LEDs operating in the green region of the visible spectrum are known to be relatively inefficient compared to blue and red LEDs, where many systems require green LEDs rather than blue or red LEDs. This problem of inefficiency in the green part of the spectrum is exacerbated when the light is required to be polarized.

本発明の一つの実施形態は、第一の波長において光を発生可能な発光ダイオード(LED)を含む1つ以上のLEDの配列を含む照明光源を目的とする。蛍光体材料が1つ以上のLEDに隣接して配置される。該蛍光体材料は第1波長の光によって照射されたとき、第2波長の光を放射する。集光ユニットは少なくとも1つのテーパー状光学要素を含む。第1および第2波長の光は集光ユニットを通過する。反射偏光子を配置し、第1偏光状態において第1および第2波長の光を透過し、第1偏光状態と直交する第2偏光状態において第1および第2波長の光を反射する。反射偏光子によって反射される第1および第2波長の光は、角度範囲を実質的に増加させることなく蛍光体材料の方向に向けられて戻る。照明光源は、第1および第2波長の偏光光を含む出射光ビームを生成する。   One embodiment of the present invention is directed to an illumination light source that includes an array of one or more LEDs including light emitting diodes (LEDs) capable of generating light at a first wavelength. A phosphor material is disposed adjacent to the one or more LEDs. The phosphor material emits light of the second wavelength when illuminated with light of the first wavelength. The light collecting unit includes at least one tapered optical element. The light of the first and second wavelengths passes through the light collecting unit. A reflective polarizer is disposed to transmit light of the first and second wavelengths in the first polarization state and reflect light of the first and second wavelengths in the second polarization state orthogonal to the first polarization state. The first and second wavelengths of light reflected by the reflective polarizer are directed back toward the phosphor material without substantially increasing the angular range. The illumination light source generates an outgoing light beam including polarized light having first and second wavelengths.

本発明の別の実施形態は、第1波長で光を放射可能な第1のLEDと、第1波長とは異なる第2波長で光を放射可能な第2LEDとを含む1つ以上の発光ダイオード(LED)のアレイを含む照明光源を目的とする。その結果第1のLEDからの光が蛍光体材料に入射するように、蛍光体材料が第1のLED上に配置される。第1波長の光はその蛍光体によって第3の波長に変換される。   Another embodiment of the invention includes one or more light emitting diodes including a first LED capable of emitting light at a first wavelength and a second LED capable of emitting light at a second wavelength different from the first wavelength. An illumination light source comprising an array of (LEDs) is intended. As a result, the phosphor material is disposed on the first LED such that light from the first LED is incident on the phosphor material. The light of the first wavelength is converted to the third wavelength by the phosphor.

本発明の上記の概要は、本発明の各図示される実施形態またはすべての実行を説明することを意図していない。以下の図面および発明を実施するための最良の形態は、これらの実施形態をさらに特に例示する。
The above summary of the present invention is not intended to describe each illustrated embodiment or every implementation of the present invention. The following drawings and best mode for carrying out the invention further specifically illustrate these embodiments.

本発明は照明システムに利用可能であり、また例えば、投影テレビジョンおよびディスプレイ、モニタなどに使用され得る投影システムなど画像表示するための照明システムにより特に利用可能である。   The present invention can be used for an illumination system, and is particularly applicable to an illumination system for displaying an image, such as a projection system that can be used for a projection television and a display, a monitor, and the like.

緑色発光ダイオード(LED)は、可視スペクトルの青色および赤色領域で作動するLEDよりも低効率であることが周知である。従って、LEDに基づく照明システムは、望ましいレベルの輝度およびカラーバランスを達成するために青色および赤色LEDよりも多くの緑色LEDを必要とする。LEDで直接的に緑色を発生させる代わりに、第1波長、例えば、青色またはUV波長で光を発生させ、その第1波長の光を緑色波長の光に変換するという別の手法がある。   It is well known that green light emitting diodes (LEDs) are less efficient than LEDs operating in the blue and red regions of the visible spectrum. Thus, LED based lighting systems require more green LEDs than blue and red LEDs to achieve the desired level of brightness and color balance. Instead of generating green directly in the LED, there is another approach to generate light at a first wavelength, eg, blue or UV wavelength, and converting the first wavelength light to green wavelength light.

LEDからの光を波長変換し緑色光を発生させるのに有用であり得る一つの代表的手法を図1に模式的に例示する。代表的照明システム100は、ベースプレート104に搭載された1つ以上のLED102のアレイを有する。ベースプレート104はLED102に電力を供給するために、およびLEDからの熱を奪うために使用されてもよい。   One exemplary approach that may be useful for wavelength converting light from an LED to generate green light is schematically illustrated in FIG. The exemplary lighting system 100 has an array of one or more LEDs 102 mounted on a base plate 104. Base plate 104 may be used to provide power to LED 102 and to remove heat from the LED.

LED102からの光106の少なくとも一部は、第1集光ユニット107の中で集光される。代表的な実施形態では、集光ユニット107は入射側110および出射側112を有する光パイプ108を含む。   At least a part of the light 106 from the LED 102 is collected in the first light collecting unit 107. In the exemplary embodiment, light collection unit 107 includes a light pipe 108 having an entrance side 110 and an exit side 112.

ベースプレート104に搭載されたLED102のアレイの側面図を図2に模式的に例示する。照明システムに使用してもよい商業的に入手可能な一部のLEDは、光パイプ108に面する上面を通過して光を放射する。商業的に入手可能な他のタイプのLEDは、示されるようにLEDチップの斜め面202から光を放射する。   A side view of the array of LEDs 102 mounted on the base plate 104 is schematically illustrated in FIG. Some commercially available LEDs that may be used in the lighting system emit light through the top surface facing the light pipe 108. Other types of commercially available LEDs emit light from the oblique surface 202 of the LED chip as shown.

一部の代表的な実施形態では、反射性要素114はLEDアレイに近接して配置してもよい。反射性要素114は入射側110の少なくとも一部を取り囲み、光パイプ108の入射側110から漏れ出す光の量を低減する。反射性要素114は、例えば入射側110がLED102の頂部と電気的接続を行うために使用される結線204の干渉のために僅かな距離でLED102から分離されることが望ましい場合がある。反射性要素114を有するこの構成により、削減した数のLED102を使用することができ、従って光パイプ108を補充してもなおコストおよび消費電力を削減できる。反射性要素114は、金属化または多層化の反射性コーティングを含んでもよい。   In some exemplary embodiments, the reflective element 114 may be positioned proximate to the LED array. The reflective element 114 surrounds at least a portion of the incident side 110 and reduces the amount of light that leaks from the incident side 110 of the light pipe 108. It may be desirable for the reflective element 114 to be separated from the LED 102 at a slight distance due to interference of the connection 204, for example, where the incident side 110 is used to make an electrical connection with the top of the LED 102. This configuration with the reflective element 114 allows a reduced number of LEDs 102 to be used, thus reducing cost and power consumption even when the light pipe 108 is replenished. The reflective element 114 may include a metallized or multilayered reflective coating.

一部の代表的な実施形態では、光パイプ108はLED102の真上に直接配置されるテーパー状固体直角プリズムである。光パイプ108の入射側110はシステムのエテンデュー(etendue)の増加を回避するために小さくされてもよい。該エテンデューは、光源における光ビームの面積を光ビームの立体角で乗算した積である。光のエテンデューは縮小されることができないが、光学システムによって増加することができる。輝度はエテンデューで除算したオプティカルフラックス(optical flux)によって与えられるので、このことがディスプレイを照射する光の総合輝度を減少させる。従って、例えば、イメージャ装置の活性面積を補強するために、光ビームの面積が増加される場合、光ビームのエテンデューを一定に保つためには、ビームの角度範囲を比例的に減少させることで十分である。エテンデューを一定に保つことによって、イメージャ装置において入射する照明光の輝度は、達成できる最高レベルで維持されるかまたはそれに近くなる。   In some exemplary embodiments, the light pipe 108 is a tapered solid right angle prism placed directly above the LED 102. The incident side 110 of the light pipe 108 may be reduced to avoid increasing the etendue of the system. The etendue is the product of the area of the light beam at the light source multiplied by the solid angle of the light beam. The light etendue cannot be reduced, but can be increased by the optical system. This reduces the overall brightness of the light that illuminates the display, as the brightness is given by the optical flux divided by etendue. Thus, for example, if the area of the light beam is increased to reinforce the active area of the imager device, it is sufficient to reduce the angular range of the beam proportionally to keep the light beam etendue constant. It is. By keeping the etendue constant, the brightness of the illumination light incident on the imager device is maintained at or near the highest level achievable.

図1に示した代表的な実施形態では、エテンデュー当たりの最高のフラックスは、LED102が非カプセル化LEDチップであり、LED102が光パイプ108の入射側110から空気のギャップによって分離されるように光106を追加のエポキシ、シリコーンまたはその他の介在材料が存在しない状態で空気中に放射される場合に得られる。この構成は、高温度や光フラックスによって劣化する可能性のある有機層およびポリマー層を取り除くことによって、LED102の信頼性を改善し得る。一部の実施形態では、例えば環境保全のために、LED102と入射側110との間に幾つかのカプセル形成を含むことが望ましいことがある。   In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the highest flux per etendue is such that the LED 102 is an unencapsulated LED chip and the LED 102 is separated from the incident side 110 of the light pipe 108 by an air gap. Obtained when 106 is radiated into the air in the absence of additional epoxy, silicone or other intervening material. This configuration can improve the reliability of the LED 102 by removing organic and polymer layers that can be degraded by high temperatures and light flux. In some embodiments, it may be desirable to include several capsule formations between the LED 102 and the incident side 110, for example for environmental conservation.

LED102によって放射された光の収集において、80%〜90%の範囲にある集光効率が光パイプ108により獲得できることが見出されている。一部の代表的な実施形態では、光パイプ108は出射側におけるその幅の2〜10倍長い長さを有し得るが、光パイプ108はこの範囲を外れても作動し得る。光パイプ108の長さが増加するにつれて、出射側112における光の均一性が増加する。しかし、光パイプ108が長くなり過ぎると、そのシステムはより嵩高で高価になり、また光パイプ108内部での損失が原因で光パイプ108から出る光はより少なくなる。例えば、固体の光パイプではなくて中空のトンネルなどの他の構成の光パイプ108も使用できる。   It has been found that light collection efficiency in the range of 80% to 90% can be obtained by the light pipe 108 in collecting light emitted by the LED 102. In some exemplary embodiments, the light pipe 108 may have a length that is 2 to 10 times longer than its width on the exit side, but the light pipe 108 may operate outside this range. As the length of the light pipe 108 increases, the light uniformity on the exit side 112 increases. However, if the light pipe 108 becomes too long, the system becomes bulky and expensive, and less light exits the light pipe 108 due to losses inside the light pipe 108. For example, other configurations of the light pipe 108 such as a hollow tunnel can be used instead of the solid light pipe.

一部の実施形態では、集光ユニット107はまた、例えばレンズなどの集束光学部品116を出射側112に備えることもできる。集束光学部品116は光パイプ108から分離されても、または光パイプ108と一体化されてもよい。   In some embodiments, the collection unit 107 may also include a focusing optic 116 such as a lens on the exit side 112. The focusing optic 116 may be separated from the light pipe 108 or integrated with the light pipe 108.

集光ユニット107から出射した光118は実質的にテレセントリックであってもよい。用語「テレセントリック」とは、光の角度範囲がビームを横切った異なるポイントに対しても実質的に同一であることを意味する。従って、ビームのある側におけるビームの一部が特別な角度範囲を有する光円錐の中にある光を含む場合、ビームの他の部分、例えばビームの中間部およびビームの別の側部は実質的に同じ角度範囲にある光を含む。それゆえ、光ビームの中央部の光が主として軸に沿った方向に向けられ特定の円錐角の中に含まれると同時に、ビームの縁部で光がまた軸に沿って向けられ実質的に同一の円錐角を有している場合は、その光ビームはテレセントリックである。光パイプ108が十分に長い場合、出射側112における光118は集束光学部品116の必要性なしで十分にテレセントリックであり得る。集束光学ユニット116の使用により、テレセントリックな出射をさらに生成しながら集光ユニット107をより短くすることを可能にする。光がテレセントリックである場合、振動数変換のために蛍光体においてその後濃縮される光の分率が増加される。   The light 118 emitted from the light collecting unit 107 may be substantially telecentric. The term “telecentric” means that the angular range of light is substantially the same for different points across the beam. Thus, if a part of the beam on one side of the beam contains light that is in a light cone with a special angular range, the other parts of the beam, eg the middle part of the beam and the other side of the beam are substantially Includes light in the same angular range. Therefore, the light at the center of the light beam is mainly directed along the axis and contained within a certain cone angle, while at the edge of the beam the light is also directed along the axis and substantially the same. The light beam is telecentric. If the light pipe 108 is long enough, the light 118 on the exit side 112 can be sufficiently telecentric without the need for focusing optics 116. Use of the focusing optical unit 116 allows the condensing unit 107 to be shorter while further generating telecentric emission. If the light is telecentric, the fraction of light that is subsequently concentrated in the phosphor for frequency conversion is increased.

一部の代表的な実施形態では、集束光学部品116は光パイプ108と一体化されてもよく、または光パイプ108と分離されてもよい。その他の代表的な実施形態では、光パイプ108は集束機能を実行する湾曲する側壁を装備していてもよい。   In some exemplary embodiments, the focusing optics 116 may be integrated with the light pipe 108 or separated from the light pipe 108. In other exemplary embodiments, the light pipe 108 may be equipped with curved sidewalls that perform a focusing function.

光118は偏光ビームスプリッタ(polarizing beamsplitter)(PBS)120に入る。PBSは、任意の好適なタイプのPBSであってもよく、例えば、マックネイル型(MacNeille-type)PBSまたは本明細書に参照として組み入れられる米国特許第5,962,114号および同第6,721,096号に記載のMZIP PBSなどの多層光学フィルム(multilayer optical film)(MOF)であってもよい。その他の好適なタイプのPBSとしては、ワイヤーグリッド型PBSおよびコレステリック型PBSが挙げられる。PBS120は、典型的には、2つの直角プリズム124aと124bの斜辺面との間に配置される偏光選択層122を含むが、他の構成を使用してもよい。偏光選択層122は、1つの偏光状態にある光を反射し、それと直交した偏光状態の光を透過する。PBS120はまた、偏光選択層122と第2プリズム124bとの間に配置された反射フィルム123を含むこともあり得る。反射層123は、偏光選択層122を透過したLED102からの光を反射する。反射フィルム123は、LED102によって発生される第1波長の光を反射し、蛍光体によって発生される第2波長の光を透過する:このリフレクターの構成はロングパス反射フィルタと称される場合もある。   Light 118 enters a polarizing beamsplitter (PBS) 120. The PBS may be any suitable type of PBS, for example, MacNeille-type PBS or US Pat. Nos. 5,962,114 and 6,697, incorporated herein by reference. It may also be a multilayer optical film (MOF) such as MZIP PBS described in 721,096. Other suitable types of PBS include wire grid type PBS and cholesteric type PBS. PBS 120 typically includes a polarization selective layer 122 disposed between the hypotenuse surfaces of two right angle prisms 124a and 124b, although other configurations may be used. The polarization selection layer 122 reflects light in one polarization state and transmits light in a polarization state orthogonal to the light. The PBS 120 may also include a reflective film 123 disposed between the polarization selection layer 122 and the second prism 124b. The reflective layer 123 reflects the light from the LED 102 that has passed through the polarization selection layer 122. The reflective film 123 reflects light of the first wavelength generated by the LED 102 and transmits light of the second wavelength generated by the phosphor: the configuration of this reflector is sometimes referred to as a long pass reflective filter.

以下に明らかになるように、この特別の実施形態では、PBS120は、蛍光体によって発生される第2波長の光を偏光するために使用され、第1波長の光118に対するPBSの作用は本質的に無視してもよい。例えば、一部の実施形態では、偏光選択層122は、第1波長の光118の両方の偏光状態に対して本質的に透過性であるように設計されてもよい。そのような場合、反射フィルム123は、第1波長の光118の両方の偏光状態のものを反射する。別の実施形態では、偏光選択層122は、1つの偏光状態にある第1波長の光を反射し、その場合に反射フィルム123は偏光選択層122を透過される第2偏光状態にある第1波長の光118を反射する。   As will become apparent below, in this particular embodiment, PBS 120 is used to polarize the second wavelength of light generated by the phosphor, and the action of PBS on the first wavelength of light 118 is essential. You can ignore it. For example, in some embodiments, the polarization selective layer 122 may be designed to be essentially transparent to both polarization states of the first wavelength of light 118. In such a case, the reflective film 123 reflects both polarization states of the light 118 having the first wavelength. In another embodiment, the polarization selection layer 122 reflects light of a first wavelength in one polarization state, in which case the reflective film 123 is in a second polarization state that is transmitted through the polarization selection layer 122. Reflects light 118 of wavelength.

PBS120によって反射される第1波長の光126を、色変換蛍光体128に向ける。蛍光体128は、LED102によって発生される光126を吸収し、典型的には第1波長より長い、第2波長の光を発生する物質を含む。一部の実施形態では、蛍光体128は、青色またはUV光を緑色光に変換し得る。蛍光体材料の一つの特に好適な例は、Euドープのストロンチウムチオガレート(SrGa:Eu)であるが、他のタイプの蛍光体材料を使用してもよく、それには例えば、希土類元素ドープのナイトライドおよびユーロピウムドープのシリコンアルミニウムオキシナイトライド(SiAlON:Eu)などのオキシナイトライド、およびセリウムドープのイットリウムアルミニウムガーネット(Ge:YAG)などの希土類元素ドープのガーネットがある。 The first wavelength light 126 reflected by the PBS 120 is directed to the color conversion phosphor 128. The phosphor 128 includes a material that absorbs the light 126 generated by the LED 102 and generates light of a second wavelength, typically longer than the first wavelength. In some embodiments, the phosphor 128 may convert blue or UV light to green light. One particularly suitable example of a phosphor material is Eu-doped strontium thiogallate (SrGa 2 S 4 : Eu), although other types of phosphor materials may be used, for example, rare earth elements There are oxynitrides such as doped nitride and europium doped silicon aluminum oxynitride (SiAlON: Eu), and rare earth doped garnets such as cerium doped yttrium aluminum garnet (Ge: YAG).

光126は、蛍光体128に行く途中で第2集光装置130を通過する場合がある。第2集光装置130は、集束光学部品132および光パイプ134を有する第1集光装置107様の構成であってもよく、または異なった構成であってもよい。集束光学部品132および光パイプ134は、蛍光体128上に光126を集中する。   The light 126 may pass through the second light collector 130 on the way to the phosphor 128. The second light concentrator 130 may have a configuration similar to the first light concentrator 107 having the focusing optical component 132 and the light pipe 134, or may have a different configuration. Focusing optics 132 and light pipe 134 concentrate light 126 on phosphor 128.

蛍光体128は、一部の実施形態において、過剰の熱を排除するためのヒートシンクとして作動するベースプレート136上に搭載してもよい。第2波長の光138(破線)は、第2集光装置130を介してPBS120へ向けられ、そのPBS120はp偏光光140を有効出射142として透過し、s偏光光144を反射する。蛍光体128の背後にある幾つかの要素は、最初はPBS120から離れる方向に移動しながら発生される第2波長の光を反射するために使用され得る。例えば、ベースプレート136はそれ自身反射性であってもよく、または任意の反射体152を蛍光体128とベースプレート136との間に配置してもよい。好適な反射体152の一つの例としては、例えば銀コーティングなどベースプレート136上の金属コーティングが挙げられる。反射体152の別の例としては、ミネソタ州セントポールの3M社から入手可能な高鏡面反射(ESR)フィルム(Enhanced Specular Reflector film)が挙げられる。   The phosphor 128 may in some embodiments be mounted on a base plate 136 that acts as a heat sink to remove excess heat. The second wavelength light 138 (broken line) is directed to the PBS 120 via the second light collector 130, and the PBS 120 transmits the p-polarized light 140 as the effective output 142 and reflects the s-polarized light 144. Several elements behind the phosphor 128 can be used to reflect the second wavelength of light that is generated while initially moving away from the PBS 120. For example, the base plate 136 may itself be reflective, or an optional reflector 152 may be placed between the phosphor 128 and the base plate 136. One example of a suitable reflector 152 includes a metal coating on the base plate 136, such as a silver coating. Another example of reflector 152 is an enhanced specular reflector film (ESR) film available from 3M Company of St. Paul, Minnesota.

第1波長を透過し第2波長を反射する反射フィルタ146は、PBS120と第1集光装置107との間に配置され、s偏光光142を反射しPBS120を経由して蛍光体128に戻し得る。反射される光150は続いて、例えば蛍光体128、ベースプレート136または反射体152によって再反射され、PBSの方に引き返す場合がある。   The reflection filter 146 that transmits the first wavelength and reflects the second wavelength is disposed between the PBS 120 and the first light collector 107, and can reflect the s-polarized light 142 and return it to the phosphor 128 via the PBS 120. . The reflected light 150 may then be re-reflected by, for example, the phosphor 128, the base plate 136, or the reflector 152 and back toward the PBS.

偏光変換器148は、反射されて蛍光体128に戻る光150の少なくとも一部は続いて、有効出射142として透過される偏光状態でPBSに戻るように、PBS120と蛍光体128との間に配置し得る。   A polarization converter 148 is disposed between the PBS 120 and the phosphor 128 such that at least a portion of the light 150 reflected back to the phosphor 128 is subsequently returned to the PBS in a polarization state that is transmitted as an effective output 142. Can do.

図1に例示したシステム100の1つの特徴は、第1波長の光126がLED102によって放射される光106と実質的に類似のエテンデューを有する蛍光体に入射することである。従って、第2波長の出射光142のエテンデューは、適切なLEDを使用して直接発生した第2波長の光によって得られるであろうものと類似している。これにより、出射光142が照明用途、例えば、LCDイメージャ装置を照射することに効率よく使用することを可能にする。   One feature of the system 100 illustrated in FIG. 1 is that the first wavelength of light 126 is incident on a phosphor having an etendue substantially similar to the light 106 emitted by the LED 102. Thus, the etendue of the second wavelength outgoing light 142 is similar to that which would be obtained with the second wavelength light generated directly using a suitable LED. This allows the emitted light 142 to be efficiently used for illumination applications, for example, illuminating an LCD imager device.

光の波長変換のための蛍光体を備え、また偏光出射を生成することを含む照明システム300の別の代表的な実施形態を模式的に図3に例示する。この実施形態では、LED102からの光は、入射側310および出射側312を有する光パイプ308を含む集光/集束ユニット307を通過する。この特別な実施形態における光パイプ308が、出射側312での光314が実質的にテレセントリックであるように、湾曲側壁を有する。光314は、第1波長の光を反射し第2波長の光を透過するという特性を有するダイクロイックビームスプリッタ320を通過する。ダイクロイックビームスプリッタによって反射される第1波長の光324は、第2集光ユニット326を通して蛍光体128に向けられる。第2集光ユニット326はまた、湾曲した側壁を有する光パイプ328も備え、または第1集光ユニット307の光パイプとは異なる光学配置備える場合もある。   Another exemplary embodiment of an illumination system 300 comprising a phosphor for wavelength conversion of light and including generating polarized emission is schematically illustrated in FIG. In this embodiment, light from the LED 102 passes through a collection / focusing unit 307 that includes a light pipe 308 having an entrance side 310 and an exit side 312. The light pipe 308 in this particular embodiment has curved sidewalls so that the light 314 at the exit side 312 is substantially telecentric. The light 314 passes through the dichroic beam splitter 320 having the characteristics of reflecting the first wavelength light and transmitting the second wavelength light. The first wavelength light 324 reflected by the dichroic beam splitter is directed to the phosphor 128 through the second light collecting unit 326. The second light collecting unit 326 may also include a light pipe 328 having curved side walls, or may have a different optical arrangement than the light pipe of the first light collecting unit 307.

第2波長の光329は、第2集光装置326を通過してダイクロイックビームスプリッタ320を透過する。例えばワイヤーグリッド偏光子、MOF偏光子またはコレステリック偏光子などの偏光子330は、1つの偏光状態にある光332を有効出射として透過し、それと直交した偏光状態にある光334を蛍光体128の方向に反射して戻す。偏光制御要素336、例えば四分の一波長板が、偏光子330とダイクロイックビームスプリッタ320との間に配置されてもよい。反射される光334は、再度蛍光体128に入射し、蛍光体128、ベースプレート136、または反射体152によって偏光子330に向かって反射して戻る。偏光制御要素336を、偏光子330に再利用される光の少なくとも幾らかの偏光を回転するために使用する。   The light 329 having the second wavelength passes through the second light collecting device 326 and passes through the dichroic beam splitter 320. For example, a polarizer 330 such as a wire grid polarizer, a MOF polarizer, or a cholesteric polarizer transmits light 332 in one polarization state as an effective output, and transmits light 334 in a polarization state orthogonal to the light 334 in the direction of the phosphor 128. Reflect back to. A polarization control element 336, for example a quarter wave plate, may be disposed between the polarizer 330 and the dichroic beam splitter 320. The reflected light 334 again enters the phosphor 128 and is reflected back toward the polarizer 330 by the phosphor 128, the base plate 136, or the reflector 152. A polarization control element 336 is used to rotate at least some polarization of the light that is recycled to the polarizer 330.

さらに、蛍光体128によって第2波長に変換されない第1波長の光の少なくとも一部は、蛍光体128、反射体152、またはベースプレート136のうちの一つにおける反射、それからダイクロイックビームスプリッタ320における反射を経由してLED102に戻る場合がある。第1波長のそのような反射される光は、ベースプレート104またはLED102からの反射によって蛍光体128に再利用され得る。   Further, at least a portion of the first wavelength light that is not converted to the second wavelength by the phosphor 128 is reflected by one of the phosphor 128, the reflector 152, or the base plate 136, and then reflected by the dichroic beam splitter 320. In some cases, the LED 102 may be returned via. Such reflected light of the first wavelength can be recycled to the phosphor 128 by reflection from the base plate 104 or the LED 102.

別の代表的な実施形態では、例示してはいないが、ダイクロイックビームスプリッタは第1波長の光を透過し、第2波長の光を反射してもよい。そのような構成では、LEDおよび蛍光体を、典型的には、ダイクロイックビームスプリッタの反対側に配置する。   In another exemplary embodiment, although not illustrated, the dichroic beam splitter may transmit light of the first wavelength and reflect light of the second wavelength. In such a configuration, the LED and phosphor are typically placed on the opposite side of the dichroic beam splitter.

一部の代表的な実施形態では、蛍光体はLEDに近接して配置されてもよく、あるいはLEDが蛍光体材料で等角的にコーティングされることさえもよい。そのような構成は、結果として照明システムに使用される要素数の削減をもたらす場合がある。また、一部の場合では、LEDを、シリコンカーバイドなどの材料で形成し、これは蛍光体からベースプレートへ熱を移動させるのに有効である。   In some exemplary embodiments, the phosphor may be placed in close proximity to the LED, or the LED may be evenly coated with a phosphor material. Such a configuration may result in a reduction in the number of elements used in the lighting system. Also, in some cases, the LED is formed of a material such as silicon carbide, which is effective in transferring heat from the phosphor to the base plate.

蛍光体がLEDに近接して配置される照明システム400の一つの代表的な実施形態を、図4に模式的に例示する。該システムは、1つ以上のLED102のアレイおよび1つの集光ユニット107を含む。例えば集束要素と一体化される光パイプまたは集束要素のない光パイプを使用することなど、集光ユニットは例示された実施形態とは異なって構成されてもよい。加えて、側壁は直線状または湾曲状であってもよい。代表的な実施形態において蛍光体428を、LED102に近接して、またはLEDの上にさえも配置する。反射フィルタ430は、集光ユニット107の出射側に配置されてもよく、第1波長の光106を反射し、蛍光体428によって発生される第2波長の光432を透過する。   One exemplary embodiment of a lighting system 400 where the phosphor is placed in close proximity to the LED is schematically illustrated in FIG. The system includes an array of one or more LEDs 102 and a light collection unit 107. The light collection unit may be configured differently from the illustrated embodiment, for example using a light pipe integrated with the focusing element or a light pipe without a focusing element. In addition, the side walls may be straight or curved. In an exemplary embodiment, the phosphor 428 is placed in proximity to the LED 102 or even on top of the LED. The reflection filter 430 may be disposed on the emission side of the light collecting unit 107, reflects the first wavelength light 106, and transmits the second wavelength light 432 generated by the phosphor 428.

第2波長の光432は、PBS420に入射し、該PBSは有効出射として一つの偏光状態にある光434を透過し、それと直交した偏光状態の光436を反射する。反射体438は、光440を反射してPBS420に戻し、PBSではその光は反射され蛍光体428に向かって戻る。続いて光440は、蛍光体428、LED102、ベースプレート102、またはその他の幾つかの反射要素によって、反射されPBS420に向かって戻る場合がある。四分の一波長板などの偏光回転要素442は、PBS420と蛍光体428との間に配置してもよく、有効出射434としてPBS420によって抽出される光の量を増加するために反射される光440の偏光を回転する。   The light 432 of the second wavelength is incident on the PBS 420, and the PBS transmits the light 434 in one polarization state as an effective output, and reflects the light 436 in a polarization state orthogonal thereto. The reflector 438 reflects the light 440 and returns it to the PBS 420, where the light is reflected back toward the phosphor 428. The light 440 may then be reflected back toward the PBS 420 by the phosphor 428, the LED 102, the base plate 102, or some other reflective element. A polarization rotation element 442, such as a quarter wave plate, may be placed between the PBS 420 and the phosphor 428 and is reflected to increase the amount of light extracted by the PBS 420 as an effective output 434. The polarization of 440 is rotated.

代わりの構成では、反射体をPBSによって透過される光を反射するために配置する一方で、PBSによって反射される光は有効出射として使用してもよい。   In an alternative configuration, the reflector may be arranged to reflect light transmitted by the PBS, while the light reflected by the PBS may be used as an effective output.

照明システム500の別の代表的な実施形態を、図5Aに模式的に例示する。この代表的システムは、PBS420および反射体438を、反射偏光子層520、例えばMOF偏光子、ワイヤーグリッド偏光子、またはコレステリック偏光子で置き換えたこと以外は、図4に例示したシステム400と類似している。反射偏光子層520は、一つの偏光状態にある光を有効出射534として透過し、それと直交状態にある光536を再利用のために反射する場合がある。   Another exemplary embodiment of a lighting system 500 is schematically illustrated in FIG. 5A. This exemplary system is similar to system 400 illustrated in FIG. 4 except that PBS 420 and reflector 438 are replaced with a reflective polarizer layer 520, such as a MOF polarizer, a wire grid polarizer, or a cholesteric polarizer. ing. The reflective polarizer layer 520 may transmit light in one polarization state as an effective output 534 and reflect the light 536 in a state orthogonal thereto for reuse.

照明システム550の別の代表的な実施形態を、図5Bに模式的に例示する。このシステム550は、集束光学部品116が削除され、反射フィルタ552および反射偏光子554が両方とも湾曲していること以外は、図5Aに例示したシステムと類似している。一部の実施形態では、反射フィルタ552および反射偏光子554の両方の曲率の中心は、蛍光体428付近にあり、該蛍光体は第1波長および第2波長の両方で光を反射することが望ましい場合がある。この構成は、反射されてLED102に戻る第1波長の光106の量および蛍光体428の方向に反射されて戻る第2波長の光536の量を増加する。当然曲率の中心は、他の場所に配置されてもよい。偏光回転要素442は、反射偏光子の曲線に整合させるために湾曲されていてもよいし、または直線であってもよい。同様に、湾曲した反射要素は上述したその他の実施形態にも使用されてもよい。例えば、図4に模式的に例示したシステム400において、反射フィルタ430および反射体438は、それぞれ湾曲していてもよい。   Another exemplary embodiment of a lighting system 550 is schematically illustrated in FIG. 5B. This system 550 is similar to the system illustrated in FIG. 5A, except that the focusing optics 116 is eliminated and both the reflective filter 552 and the reflective polarizer 554 are curved. In some embodiments, the center of curvature of both the reflective filter 552 and the reflective polarizer 554 is near the phosphor 428, which may reflect light at both the first wavelength and the second wavelength. It may be desirable. This configuration increases the amount of first wavelength light 106 that is reflected back to the LED 102 and the amount of second wavelength light 536 reflected back to the phosphor 428. Of course, the center of curvature may be located elsewhere. The polarization rotation element 442 may be curved to match the curve of the reflective polarizer or may be straight. Similarly, curved reflective elements may be used in the other embodiments described above. For example, in the system 400 schematically illustrated in FIG. 4, the reflection filter 430 and the reflector 438 may each be curved.

再利用のための反射して戻る光の量を増加させる照明システムの一つの特徴は、第1波長の光または第2波長の光である、再利用のための光の反射は反射のときに入射光の角度範囲を実質的に増加させないことである。このことは、図5Cを参照してさらに説明され、該図は、軸560に沿って伝播する非テレセントリックな光ビームを横切る様々な点で光線の方向を示す。ビームの中央部において、中央光線562は軸560に平行であり、光線564、566は中央光線562に対して角度α1で伝播する。光線564、566は、光線の最大強度の、この場合では軸上の光線562の特定の分率を示す。例えば、光ビームが2.4のf/ナンバーを有する場合、光ビームは±11.7°(α1)のコーンハーフアングルを有するとして一般的に受け入れられており、事実上全ての、少なくとも90%超過の光が±11.7°の円錐の中に含まれる。   One feature of an illumination system that increases the amount of reflected back light for reuse is light of the first wavelength or light of the second wavelength. When the light reflected for reuse is reflected, The angle range of incident light is not substantially increased. This is further explained with reference to FIG. 5C, which shows the direction of the light rays at various points across the non-telecentric light beam propagating along axis 560. At the center of the beam, the central ray 562 is parallel to the axis 560 and the rays 564, 566 propagate at an angle α1 with respect to the central ray 562. Rays 564, 566 indicate a specific fraction of ray 562, in this case on-axis, of the maximum intensity of the ray. For example, if the light beam has an f / number of 2.4, the light beam is generally accepted as having a cone half angle of ± 11.7 ° (α1), which is at least 90% of virtually all. Excess light is contained within a ± 11.7 ° cone.

ビームの縁部における破線570は、軸560と平行である。ビームの縁部において最も明るい光線の方向を示す光線572は、軸560に対して角度θで伝播する。光線574および576は、光線572に対してα2の角度で伝播する。理想的には、α2の値はα1の値に接近しているが、それらは全く同一である必要はない。   Dashed line 570 at the beam edge is parallel to axis 560. Ray 572, which indicates the direction of the brightest ray at the beam edge, propagates at an angle θ relative to axis 560. Rays 574 and 576 propagate at an angle α2 with respect to ray 572. Ideally, the value of α2 is close to the value of α1, but they need not be exactly the same.

軸560に直角に配置される平坦ミラー568によるビーム562の反射は、軸560に平行に伝播する反射されるビームをもたらす。一方、平坦ミラー568によるビーム572の反射は、軸560に対して2θの角度で伝播する反射されるビームをもたらす。従って、平坦ミラーによる非テレセントリック光の反射は、光の角度範囲の増加をもたらす。   Reflection of beam 562 by flat mirror 568 positioned perpendicular to axis 560 results in a reflected beam that propagates parallel to axis 560. On the other hand, the reflection of beam 572 by flat mirror 568 results in a reflected beam that propagates at an angle 2θ relative to axis 560. Therefore, reflection of non-telecentric light by a flat mirror results in an increase in the angular range of light.

一方、光がテレセントリックであるとすると、そのときのビーム562および572は平行であり、また平坦ミラー568による反射は入射光の角度範囲を増加させないであろう。   On the other hand, if the light is telecentric, then the beams 562 and 572 are parallel and reflection by the flat mirror 568 will not increase the angular range of the incident light.

また、図5Dに模式的に例示したように、湾曲ミラー580による非テレセントリックな光の反射は、ミラー580においてビーム562および572は各々法線入射であり、光の角度範囲の増加をもたらさない場合がある。   Also, as schematically illustrated in FIG. 5D, the non-telecentric reflection of light by the curved mirror 580 results in the case where the beams 562 and 572 are each normally incident on the mirror 580 and do not increase the angular range of the light. There is.

上述のタイプの照明光源を使用してもよい投影システム600の一つの代表的な実施形態を、模式的に図6に例示する。該システム600は、それぞれの画像形成装置604a、604b、604cを照射し該装置は画像形成パネルとも呼ばれる、多数の異なった着色される光源602a、602b、602cを含む。各光源602a、602b、602cは、発光ダイオード(LED)のような多数の発光要素を含んでもよく、特定の色を有する出射光ビームを生成する。1つ以上の光源602a、602b、602cは、LEDによって発光される光の波長を変換するための蛍光体、光ビームのエテンデューを維持するための集光装置、および望ましい変更状態を選択するための偏光子を備えてもよい。一部の実施形態では、照明光源602a、602b、602cはそれぞれ赤色、緑色および青色照明光ビームを発生する。   One exemplary embodiment of a projection system 600 that may use an illumination source of the type described above is schematically illustrated in FIG. The system 600 illuminates each image forming device 604a, 604b, 604c, which includes a number of different colored light sources 602a, 602b, 602c, also referred to as image forming panels. Each light source 602a, 602b, 602c may include a number of light emitting elements, such as light emitting diodes (LEDs), to generate an outgoing light beam having a particular color. One or more light sources 602a, 602b, 602c are used to select a phosphor for converting the wavelength of light emitted by the LED, a concentrator for maintaining the etendue of the light beam, and a desired change state. A polarizer may be provided. In some embodiments, illumination light sources 602a, 602b, 602c generate red, green, and blue illumination light beams, respectively.

画像形成装置604a、604b、604cは、任意の好適なタイプの画像形成装置であってもよい。例えば、画像形成装置604a、604b、604cは、透過型または反射型の画像形成装置であってもよい。透過型および反射型の両方の液晶ディスプレイ(LCD)パネルは、画像形成装置に使用されてもよい。透過型LCD画像形成パネルの好適なタイプの一つの例は、高温ポリシリコン(HTPS)LCD装置である。反射型LCDパネルの好適なタイプの一つの例は、液晶オンシリコン(LCoS)パネルである。LCDパネルは、選択される画素に関連した光を偏光変調し、続いて偏光子を用いて非変調光から変調光を分離することによって、照明光ビームを変調する。デジタルマルチミラーデバイス(DMD)と呼ばれる、別のタイプの画像形成装置は、テキサス州プラノにあるテキサスインスツルメンツ社から商品名DLP(商標)で供給され、該装置は個別にアドレス指定可能なミラーのアレイを使用し、該ミラーは照明光を投影レンズの方向または投影レンズから離れる方向に反射する。照明光源は、LCDとDLP(商標)の両方のタイプの画像形成装置で使用してもよいが、本開示の範囲をこれら2つのタイプの画像形成装置だけに限定する意図はなく、本明細書に記載される光源システムのタイプは投影システムによって投影されるその他のタイプの画像形成用装置を使用してもよい。また、DLP(登録商標)タイプの画像形成装置を含む多くのシステムは偏光照明光を必要としないことが認められる。例示される実施形態は、例示するだけの目的でLCDタイプの画像形成装置を含み、照明光源が使用される画像投影システムのタイプを限定することを意図しない。   The image forming apparatuses 604a, 604b, and 604c may be any suitable type of image forming apparatus. For example, the image forming apparatuses 604a, 604b, and 604c may be transmissive or reflective image forming apparatuses. Both transmissive and reflective liquid crystal display (LCD) panels may be used in the image forming apparatus. One example of a suitable type of transmissive LCD imaging panel is a high temperature polysilicon (HTPS) LCD device. One example of a suitable type of reflective LCD panel is a liquid crystal on silicon (LCoS) panel. The LCD panel modulates the illumination light beam by polarization modulating the light associated with the selected pixel and subsequently separating the modulated light from the unmodulated light using a polarizer. Another type of imaging device, called a digital multi-mirror device (DMD), is supplied by Texas Instruments, Inc., Plano, Texas, under the trade name DLP ™, which is an array of individually addressable mirrors. And the mirror reflects the illumination light in the direction of the projection lens or away from the projection lens. Illumination light sources may be used in both LCD and DLP ™ types of image forming devices, but are not intended to limit the scope of this disclosure to only these two types of image forming devices. The type of light source system described in may use other types of imaging devices projected by the projection system. It will also be appreciated that many systems, including DLP® type image forming devices, do not require polarized illumination light. The illustrated embodiment includes an LCD type image forming apparatus for illustrative purposes only and is not intended to limit the type of image projection system in which the illumination source is used.

照明光源602a、602b、602cは、ビーム操作要素、例えば、着色される照明光ビーム606a、606b、606cのいずれかをそれらの対応する画像形成装置604a、604b、604cに進路を向けるための、ミラーまたはプリズムを含んでもよい。照明光源602a、602b、602cは、照明光ビーム606a、606b、606cをドレッシングするための様々な要素、例えば、偏光子、インテグレータ、レンズ、ミラーなどを、含んでもよい。   Illumination light sources 602a, 602b, 602c are mirrors for directing beam manipulation elements, eg, any of the colored illumination light beams 606a, 606b, 606c, to their corresponding image forming devices 604a, 604b, 604c. Or a prism may be included. The illumination light sources 602a, 602b, 602c may include various elements for dressing the illumination light beams 606a, 606b, 606c, such as polarizers, integrators, lenses, mirrors, and the like.

着色される照明光ビーム606a、606b、606cを、それぞれの偏光ビームスプリッタ(PBS)610a、610bおよび610cを経由してそれぞれの画像形成装置604a、604bおよび604cに向ける。それぞれの反射され、着色される画像光ビーム608a、608bおよび608cはPBS610a、610bおよび610cによって分離され、カラーコンバイナーユニット(color combiner unit)614に移動するように、画像形成装置604a、604bおよび604cの偏光は、入射する照明光ビーム606a、606b、606cを変調する。着色される画像光ビーム608a、608bおよび608cを、投影レンズユニット611によってスクリーン612に投影される単一のフルカラー画像ビーム616に合成してもよい。   The illumination light beams 606a, 606b, and 606c to be colored are directed to the respective image forming apparatuses 604a, 604b, and 604c via the respective polarization beam splitters (PBS) 610a, 610b, and 610c. Each of the reflected and colored image light beams 608a, 608b, and 608c is separated by PBS 610a, 610b, and 610c and moved to a color combiner unit 614 so that the image forming devices 604a, 604b, and 604c. The polarized light modulates the incident illumination light beam 606a, 606b, 606c. The colored image light beams 608a, 608b, and 608c may be combined into a single full color image beam 616 that is projected onto the screen 612 by the projection lens unit 611.

例示される代表的な実施形態では、着色される照明光ビーム606a、606b、606cを、PBS610a、610bおよび610cによって画像形成装置604a、604bおよび604cの方に反射し、生じた画像光ビーム608a、608bおよび608cをPBS610a、610bおよび610cを経て透過する。例示されていない別の進入路では、PBSを経て照明光を画像形成装置に透過してもよく、一方画像光をPBSによって反射する。   In the exemplary embodiment illustrated, the colored illumination light beams 606a, 606b, 606c are reflected by the PBSs 610a, 610b, and 610c toward the image forming devices 604a, 604b, and 604c, and the resulting image light beams 608a, 608b and 608c are transmitted through PBS 610a, 610b and 610c. In another approach path not illustrated, the illumination light may be transmitted to the image forming apparatus via the PBS, while the image light is reflected by the PBS.

1つ以上の電源620を接続して、照明光源602a、602b、602cに電力を供給してもよい。加えて、コントローラ622を、画像投影される画像を制御するために、画像形成装置604a、604b、604に結合してもよい。コントローラ622は、例えば、独立型のプロジエクタの一部、あるいはテレビジョンまたはコンピュータの一部であってもよい。   One or more power supplies 620 may be connected to supply power to the illumination light sources 602a, 602b, 602c. In addition, the controller 622 may be coupled to the image forming devices 604a, 604b, 604 to control the image being projected. The controller 622 may be part of a stand-alone projector, or part of a television or computer, for example.

一部の実施形態では、例えば、光の発生および収集を効率的で経済的に達成するために、高密度充填アレイのLEDを使用することが望ましい場合もある。そのようなアレイは、照射されている画像装置と類似したアスペクト比を有するように、および照射されている画像装置と少なくとも同じ大きさでエテンデューを有するように配置されてもよい。   In some embodiments, it may be desirable to use a densely packed array of LEDs, for example, to achieve light generation and collection efficiently and economically. Such an array may be arranged to have an aspect ratio similar to the image device being illuminated and to have an etendue at least as large as the image device being illuminated.

アレイにおいて高密度にLEDを充填することに関する主な課題の一つは、熱フラックスの制御である。この熱負荷を制御することを助けるために、LED702を、模式的に図7に例示したように液体冷却されたプレート704に直接取り付けてもよい。冷却プレート704は、例えば液体冷却剤の入口706と出口708を有する、液体冷却型のマイクロチャネル冷却プレートであってもよい。冷却プレート704に搭載されるLED702の個数は、図に示したものと異なってもよい。冷却プレート704の一つの好適なタイプは、ニューハンプシャー州クレアモントのミクロステクノロジー(Mikros Technologies)より入手できる、ノーマルフローマイクロチャネル冷却プレート(Normal flow microchannel Cold Plate)(NCP)である。   One of the main challenges with high density LED packing in the array is the control of heat flux. To help control this heat load, the LED 702 may be directly attached to a liquid cooled plate 704 as schematically illustrated in FIG. The cooling plate 704 may be, for example, a liquid-cooled microchannel cooling plate having a liquid coolant inlet 706 and an outlet 708. The number of LEDs 702 mounted on the cooling plate 704 may be different from that shown in the figure. One suitable type of cooling plate 704 is a Normal flow microchannel cold plate (NCP) available from Mikros Technologies, Claremont, NH.

そのような配置の重要な特徴は、LED702を冷却プレート704に直接取り付けることによって、LED702のp−n接合の熱を液体媒体へ移す熱抵抗をできるかぎり低減することである。LED702を、例えば、共晶フラックスによるチップ取り付け法(flux eutectic die attach method)または伝導性エポキシ使用などの、任意の好適方法を使用して液体冷却プレート704に直接取り付けてもよい。   An important feature of such an arrangement is that by attaching the LED 702 directly to the cooling plate 704, the thermal resistance to transfer the heat of the pn junction of the LED 702 to the liquid medium is reduced as much as possible. The LED 702 may be attached directly to the liquid cooling plate 704 using any suitable method, such as, for example, a flux eutectic die attach method or the use of a conductive epoxy.

LEDチップ702を冷却プレート704に取り付けるために使用される共晶フラックス法は、低い電気抵抗、低い熱抵抗、並びに良好な機械的および電気的完全性を提供する。それは冷却プレートの上に注意深く調整した量の粘性フラックスを配置することにより達成する。続いて、LEDチップ702を、粘性フラックスを介して冷却プレート上に精密に配置する。LEDチップを、その下面に金属コーティングして提供する。該金属コーティングは、例えば80:20のAu/Sn混合物であってもよい。金属をリフローし、それによりLEDチップ702を冷却プレート704に取り付けるように、アセンブリ700を、金属コーティングの融点を超えて加熱する。一部の実施形態では、例えば5〜8秒で約305℃の温度に達する短い期間だけ加熱を行う。   The eutectic flux method used to attach the LED chip 702 to the cooling plate 704 provides low electrical resistance, low thermal resistance, and good mechanical and electrical integrity. This is accomplished by placing a carefully adjusted amount of viscous flux on the cooling plate. Subsequently, the LED chip 702 is precisely arranged on the cooling plate via the viscous flux. The LED chip is provided with a metal coating on its lower surface. The metal coating may be, for example, an 80:20 Au / Sn mixture. The assembly 700 is heated beyond the melting point of the metal coating to reflow the metal and thereby attach the LED chip 702 to the cooling plate 704. In some embodiments, heating is performed for a short period of time, for example, reaching a temperature of about 305 ° C in 5-8 seconds.

伝統的には、リフロー方法を、取り付け基板を直接加熱する(例えば、ホットプレートを使用して)か、またはチップ上部に当てる高温ガス流を用いて、実施する。しかし、これらの従来の方法は、LED702を冷却プレート704に取り付けるのに適切ではない。加工温度またはその付近の温度での過剰な滞留時間を回避するのに十分なほど素早く、基板をリフロー温度まで加熱し再度冷却することは困難である。チップをリフロー温度に長く放置すると、Au/Snが望まれるよりさらにフローすることを引き起こす可能性があり、金属はLEDチップの側面をウィックアップする場合があり、望ましくない短絡またはショットキー接触(Schottky contact)をもたらす場合がある。さらには、過剰の滞留時間は、チップの基板からの完全または部分的な分離を引き起こす場合があり、結果として電気的および熱的な接触を悪くする。   Traditionally, the reflow method is performed by directly heating the mounting substrate (eg, using a hot plate) or using a hot gas stream that is applied to the top of the chip. However, these conventional methods are not suitable for attaching the LED 702 to the cooling plate 704. It is difficult to heat the substrate to the reflow temperature and cool it again quickly enough to avoid excessive residence time at or near the processing temperature. If the chip is left at the reflow temperature for a long time, the Au / Sn may cause more flow than desired, and the metal may wick up the sides of the LED chip, causing unwanted short circuit or Schottky contact. contact). Furthermore, excessive residence time can cause complete or partial separation of the chip from the substrate, resulting in poor electrical and thermal contact.

従来の高温ガス法を、チップおよび近接基板をきめ細かく制御した時間で加熱するために使用し、短絡形成またはチップ分離の可能性を最小化できる。しかし、この方法は1回で1個のチップに使用され、チップごとに5〜8秒の直接加熱を必要とする。この方法は、多くのチップを含むアレイに対しては非常に時間がかかる可能性がある。   Conventional hot gas methods can be used to heat the chip and adjacent substrate in a finely controlled time, minimizing the possibility of short circuit formation or chip separation. However, this method is used for one chip at a time and requires 5-8 seconds of direct heating per chip. This method can be very time consuming for arrays containing many chips.

リフロー法で熱を供給するための別の手法は、冷却プレートを通過する、高温不活性ガスの流れまたは高温液体の流れを制御することである。この方法はプレート704全体を同時に加熱することを可能にし、これにより非常に改善された生産処理能力のためのバッチプロセスを可能にする。また、冷却プレート704の全熱質量は外部的に加熱されていないので、リフロー温度における滞留時間の制御がより容易になり、従ってリフロー温度における過剰な時間に伴う品質欠陥を最小化する。   Another approach for supplying heat in the reflow process is to control the flow of hot inert gas or hot liquid through the cooling plate. This method allows the entire plate 704 to be heated simultaneously, thereby allowing a batch process for greatly improved production throughput. Also, since the total thermal mass of the cooling plate 704 is not externally heated, it is easier to control the residence time at the reflow temperature, thus minimizing quality defects associated with excessive time at the reflow temperature.

この方法は、LEDを冷却プレート上に直接配置することを可能にし、これは非常に望ましいことである。従来の手法では、LEDを中間基板の上に搭載し、次いでそれをヒートシンクに搭載した。これは中間基板の材料の余分な層、および余分な熱界面による追加の熱抵抗をもたらす。高フラックス密度では、この余分な抵抗はアレイ中のLED702のp−n接合温度(T)を実質的に増加することができる。 This method allows the LEDs to be placed directly on the cooling plate, which is highly desirable. In the conventional method, the LED is mounted on the intermediate substrate, and then it is mounted on the heat sink. This results in an extra layer of intermediate substrate material and additional thermal resistance due to extra thermal interfaces. At high flux density, this extra resistance can substantially increase the pn junction temperature (T j ) of the LEDs 702 in the array.

該中間基板および熱界面を取り除くことにより、ダイオード接合と冷却剤との間の熱抵抗が低減され、その結果接合がより低い温度で稼動する。稼動温度のこの低減は、少なくとも2つの利点を提供する。第1に、寿命はTに関係しているので、LEDの寿命は高出力で操作している間も増加する。それゆえ、LEDチップをより冷たく保持することは、信頼性を高める。第2に、Tのより高い値は、LEDによる光の出射量に悪影響を与える。Tをより低く保持することによって、LEDアレイ由来の輝度は所与の入射電力に対してより高くなる。 By removing the intermediate substrate and the thermal interface, the thermal resistance between the diode junction and the coolant is reduced, so that the junction operates at a lower temperature. This reduction in operating temperature provides at least two advantages. First, because the lifetime is related to T j , the lifetime of the LED also increases while operating at high power. Therefore, keeping the LED chip cooler increases reliability. Second, a higher value of T j adversely affects the amount of light emitted by the LED. By keeping T j lower, the brightness from the LED array is higher for a given incident power.

冷却プレートに直接取り付けられたLEDアレイの一つの例としては、12×7アレイの配列される84個のLEDが挙げられる。各LEDは、タイプ460XT290青色LEDであり、ノースカロライナ州ダラムのクリー社(Cree Inc.)により供給される。各LEDは300平方μmであり、これらを325μmの中心間の間隔で搭載する。従って、アレイは約3.9mm×2.25mmの寸法である。LEDチップは比較的薄く、約110μmの高さであるが、より高いLEDも使用され得る。例えば、クリー社のタイプXB900LEDチップ(900平方μm×高さ250μm)も使用され得る。直径25μm〜50μmのワイヤーボンドワイヤーをLEDの上部に取り付け、電気的接続を与える。ワイヤーは、金などの任意の好適な材料で形成してよい。冷却プレートは、全てのLEDに対して共通グラウンドの役目を果たす。   One example of an LED array mounted directly on the cooling plate is 84 LEDs arranged in a 12 × 7 array. Each LED is a type 460XT290 blue LED and is supplied by Cree Inc. of Durham, NC. Each LED is 300 square micrometers, and these are mounted with a center-to-center spacing of 325 micrometers. Thus, the array is approximately 3.9 mm by 2.25 mm. The LED chip is relatively thin and is about 110 μm high, although higher LEDs can also be used. For example, a Cree Type XB900 LED chip (900 square μm × 250 μm high) may be used. A wire bond wire with a diameter of 25-50 μm is attached to the top of the LED to provide electrical connection. The wire may be formed of any suitable material such as gold. The cooling plate serves as a common ground for all LEDs.

蛍光体を、LED上で等角的にコーティングしてもよい。蛍光体材料を、任意の好適な方法を用いてコーティングしてもよい。一部の好適な「湿式」方法としては、LED上に蛍光体材料を噴霧することおよびスラリー中に浸漬することなどが挙げられる。蛍光体を塗布するその他の方法、例えば真空コーティング法、電気泳動法、またはカシルセトリング法(KaSil settling)などが使用されてもよい。   The phosphor may be conformally coated on the LED. The phosphor material may be coated using any suitable method. Some suitable “wet” methods include spraying phosphor material onto the LED and dipping in a slurry. Other methods of applying phosphors, such as vacuum coating, electrophoresis, or KaSil settling, may be used.

蛍光体の波長変換はより高い温度で低い効率であることが多いので、蛍光体の温度をTと同じように低く保持することが重要である。蛍光体がLEDの上に等角的にコーティングされている構成は、蛍光体の冷却を増強し得る:上記で論じる特別なクリーLEDはシリコンカーバイドで作製され、シリコンカーバイドは比較的高い熱伝導性を有し、それにより蛍光体と冷却プレートとの間の熱経路の熱抵抗を低減する。従って、LEDと液体冷却剤との間の熱抵抗を低減することの別の利点は、蛍光体がLEDを経由して冷却システムと熱的に接続し得ることである。 Because phosphor wavelength conversion is often low efficiency at higher temperatures, it is important to keep the temperature of the phosphor as low as T j . Configurations in which the phosphor is conformally coated on the LED can enhance phosphor cooling: the special Cree LED discussed above is made of silicon carbide, which is a relatively high thermal conductivity. Thereby reducing the thermal resistance of the thermal path between the phosphor and the cooling plate. Thus, another advantage of reducing the thermal resistance between the LED and the liquid coolant is that the phosphor can be thermally connected to the cooling system via the LED.

次いで、このアレイを、テーパー状光パイプにできるだけ接近させて配置する。ワイヤーボンディングが、「ボール」型ではなくて「ウェッジ」型である場合、ワイヤーボンディングの高さは低減され、そこでテーパー状光パイプの入射面をLEDチップのトップ面から約100μmと同じくらい近くに配置してもよい。テーパー状光パイプの入射端部は約2.25mm×約3.9mmの入射寸法を有してもよい。テーパー状光パイプの長さは、50mm〜60mm長の範囲であってもよいが、その他の長さを使用してもよい。出射面が入射面よりも1.8倍大きい面を有する場合の例では、出射面は約7.05mm×約4.1mmの寸法を有する。   The array is then placed as close as possible to the tapered light pipe. If the wire bonding is a “wedge” type rather than a “ball” type, the height of the wire bonding is reduced, so that the entrance surface of the tapered light pipe is as close as about 100 μm from the top surface of the LED chip. You may arrange. The incident end of the tapered light pipe may have an incident dimension of about 2.25 mm × about 3.9 mm. The length of the tapered light pipe may be in the range of 50 mm to 60 mm, but other lengths may be used. In the example where the exit surface has a surface that is 1.8 times larger than the entrance surface, the exit surface has a dimension of about 7.05 mm × about 4.1 mm.

照明光源800の別の実施形態を模式的に図8に例示する。該照明光源800は、図5Bに例示されたものと幾つかの類似性を有する。しかし、この実施形態では、一部の青色光856を緑色光534と共に照明光源800から放射する。従って、反射型フィルタ852は任意選択である:該フィルタを全部取り除いてもよいし、または入射青色光106の幾つかの分率を通過させるように備えてもよい。さらに、反射偏光子854は、緑色と青色両方の光の波長に有効であってもよい。   Another embodiment of the illumination light source 800 is schematically illustrated in FIG. The illumination light source 800 has some similarities to those illustrated in FIG. 5B. However, in this embodiment, some blue light 856 is emitted from the illumination source 800 along with the green light 534. Accordingly, the reflective filter 852 is optional: it may be removed entirely or provided to pass some fraction of the incident blue light 106. Further, the reflective polarizer 854 may be effective for both green and blue light wavelengths.

蛍光体中の活性種の量は、例えば、蛍光体の厚さの調節によっておよび/または蛍光体中の活性種の濃度の調節によって調節してもよい。従って、蛍光体を調節することによって、蛍光体は第2波長において望ましい量の光を生成し、一方依然として第1波長において特定の光の量を透過する構成を有する可能性がある場合がある。この方式で、照明光源800は、第1および第2波長両方の光を含む出射を生成してもよい。特定の条件下では、第1波長の光の輝度の第2波長の光に対する比率を選択し、特定の色温度を実現してもよい。例えば、国際電気通信連合(the International telecommunications Union)(ITU)により刊行されたITU−R BT.709規格によれば、スクリーンにおける入射する光のルミナンスが、青色光7%、緑色光70%および赤色光23%を含む場合に、色の偏りのない、ニュートラルな白色点を達成する。従って、図8に例示した緑色光と青色光を10:1の比で含む出射光ビームを生成するタイプの照明光源は、ITU−R BT.709規格に適合するシステムにおける青色/緑色光源として使用できる。より高い色温度を有する一部のその他の色標準によれば、青色光の量は緑色光の量の12%を構成している。   The amount of active species in the phosphor may be adjusted, for example, by adjusting the thickness of the phosphor and / or by adjusting the concentration of the active species in the phosphor. Thus, by adjusting the phosphor, the phosphor may generate a desired amount of light at the second wavelength, while still having a configuration that transmits a specific amount of light at the first wavelength. In this manner, the illumination light source 800 may generate an output that includes light of both the first and second wavelengths. Under certain conditions, the ratio of the luminance of the first wavelength light to the second wavelength light may be selected to achieve a particular color temperature. For example, ITU-R BT., Published by the International telecommunications Union (ITU). According to the 709 standard, a neutral white point with no color bias is achieved when the luminance of incident light on the screen includes 7% blue light, 70% green light and 23% red light. Therefore, an illumination light source of the type that generates an outgoing light beam including the green light and the blue light illustrated in FIG. 8 at a ratio of 10: 1 is ITU-R BT. It can be used as a blue / green light source in systems conforming to the 709 standard. According to some other color standards having higher color temperatures, the amount of blue light constitutes 12% of the amount of green light.

入射青色光の約10%〜約15%を透過するように蛍光体を制御することによって、照明光源からの光の出射は、偏りがなく3色投影システムにおける緑色および青色の画像形成装置を照射するのに好適になる。   By controlling the phosphor to transmit about 10% to about 15% of the incident blue light, the light emission from the illumination light source is unbiased and irradiates the green and blue image forming apparatuses in the three-color projection system It becomes suitable for doing.

図8に例示した実施形態に加えて、上記の照明光源のその他の実施形態は、例えばカラーフィルタを取り除いたり置き換えたりすることによって、第1および第2波長両方の光を含む出射を生成するために適応し得ることは理解されるであろう。   In addition to the embodiment illustrated in FIG. 8, other embodiments of the illumination light source described above generate an output that includes light of both the first and second wavelengths, for example, by removing or replacing a color filter. It will be understood that it can be adapted to.

2色の光を生じる照明光源は、多くの異なったタイプの投影システムに使用してもよい。例えば、好適な色分離要素を伴ったデュアルカラー照明光源800は、投影システム600における2つの照明光源620a、602b、または602cを置き換えるために使用できる。ダイクロイックセパレータがデュアルカラーの出射ビームをそれぞれの色の光ビームに分離するために使用されてもよい。   Illumination light sources that produce two colors of light may be used in many different types of projection systems. For example, a dual color illumination light source 800 with suitable color separation elements can be used to replace the two illumination light sources 620a, 602b, or 602c in the projection system 600. A dichroic separator may be used to separate the dual color outgoing beam into light beams of different colors.

そのような照明光源が使用されてよい、別の代表的投影システム900を図9に模式的に例示する。青色および緑色の両方の光を包む出射ビームを生成する照明光源902からの光904は、ダイクロイックビームスプリッタ906によってそれぞれの緑色および青色ビーム908、910に分割される。これらのビームはそれぞれの透過型画像形成装置912、914、例えば、透過型LCDユニットに向けられる。透過型画像形成装置912,914には非画像光を除くために偏光子を含んでもよい。   Another exemplary projection system 900 in which such an illumination source may be used is schematically illustrated in FIG. Light 904 from the illumination source 902 that produces an outgoing beam that wraps both blue and green light is split by the dichroic beam splitter 906 into respective green and blue beams 908, 910. These beams are directed to respective transmissive image forming apparatuses 912, 914, for example, transmissive LCD units. The transmissive image forming apparatuses 912 and 914 may include a polarizer to remove non-image light.

別の照明光源916は、透過型画像形成装置920に向けられる赤色光918を生成する。3個の画像形成装置からの画像光は、カラーコンバイナーユニット922、例えば、X−キューブコンバイナー、またはその他の好適なコンバイナー、の中で共に合成され、投影レンズシステム926によりスクリーンに投影されるフルカラー画像ビーム924を生成する。   Another illumination light source 916 generates red light 918 that is directed to the transmissive image forming device 920. Image light from the three image forming devices is combined together in a color combiner unit 922, such as an X-cube combiner, or other suitable combiner, and projected onto a screen by a projection lens system 926. A beam 924 is generated.

これらの異なったカラーを発生させる照明光源1000を模式的に図10に例示する。この照明光源1000は、図8に例示されたものと類似しているが、例外はLEDアレイが2種のLED102a、102bを備え、各々はそれぞれの着色光を生成することである。例えば、LED102aは青色光を生成し、一方102bは赤色光を生成してもよい。従って、LED102a、102bはそれぞれ実線および点線で示した第1波長の光106と第3波長の光1002を生じ、さらに破線で示したように蛍光体428によって、第1波長の光の少なくとも一部は第2波長の光432に変換される。この場合、反射偏光子1054は全ての3つの波長に渡って有効であり、1つの偏光状態にある3つの異なった波長の光を実質的に透過し、直交する偏光状態にある3つの異なった波長にある光を反射する。従って、反射偏光子1054は第2波長の光の一部1004を反射し、第2波長の光の別の部分1006を透過する。   An illumination light source 1000 that generates these different colors is schematically illustrated in FIG. The illumination light source 1000 is similar to that illustrated in FIG. 8, with the exception that the LED array comprises two types of LEDs 102a, 102b, each producing a respective colored light. For example, LED 102a may generate blue light while 102b may generate red light. Therefore, the LEDs 102a and 102b respectively generate the first wavelength light 106 and the third wavelength light 1002 indicated by the solid line and the dotted line, and at least a part of the first wavelength light by the phosphor 428 as indicated by the broken line. Is converted into light 432 of the second wavelength. In this case, the reflective polarizer 1054 is effective over all three wavelengths, substantially transmitting three different wavelengths of light in one polarization state, and three different in orthogonal polarization states. Reflects light at wavelengths. Accordingly, the reflective polarizer 1054 reflects a portion 1004 of the second wavelength light and transmits another portion 1006 of the second wavelength light.

典型的には、蛍光体428を通過するときの第2波長の光1002の損失が例えば、低いまたは無視できる吸収係数が原因で低い場合には、第3の波長の光1002の高い分率が蛍光体428を通過する。従って、蛍光体が第1のLED102aによって生成された光106だけを波長変換するのに有効である場合であっても、蛍光体428はLED102、102bのアレイ全体を覆って形成してもよい。その他の実施形態では、蛍光体428は、その光が変換された波長となるLED102aのものだけを覆い、例えば、その光が変換されないLED102bを覆わないで、形成してもよい。   Typically, if the loss of second wavelength light 1002 as it passes through phosphor 428 is low due to, for example, a low or negligible absorption coefficient, a high fraction of third wavelength light 1002 is obtained. Passes through phosphor 428. Thus, the phosphor 428 may be formed over the entire array of LEDs 102, 102b, even if the phosphor is effective in wavelength converting only the light 106 generated by the first LED 102a. In other embodiments, the phosphor 428 may cover only the LED 102a having the converted wavelength of light, for example, without covering the LED 102b that does not convert the light.

一部の実施形態では、第1のLED102aは青色光を発生し、その一部は蛍光体によって緑色光に変換され、第2LED102bは赤色光を生成する。従って、照明光源1000は、3つの異なった波長の光を発生できる。3色照明光源1000によって生成された光の色バランスは、例えば、青色LED102bの数に対する赤色LED102bの数を調節すること、および/または2セットのLED102aと102bに印加される電力を調節することによって選択し得る。照明光源1000によって出射される3色光の白色点を、望ましい白色点に、例えば職業的基準(professional standard)によって設定されるもののように設定することが望ましい場合がある。例えば、映画テレビ技術協会(the Society of Movie Picture and Television Engineers)(SMPTE)は、テレビジョンおよび映画画像に対する推奨色域を説明する推奨基準145−1999、「C−カラーモニタの色彩測定(C-Color Monitor Colorimetry)」を刊行している。この基準によると、ニュートラル白色は、CIE1931の色座標系(color coordinate system)を用いて(300、310)付近の色座標を有する。   In some embodiments, the first LED 102a generates blue light, a portion of which is converted to green light by the phosphor, and the second LED 102b generates red light. Accordingly, the illumination light source 1000 can generate light of three different wavelengths. The color balance of the light generated by the three-color illumination source 1000 can be achieved, for example, by adjusting the number of red LEDs 102b relative to the number of blue LEDs 102b and / or by adjusting the power applied to the two sets of LEDs 102a and 102b. You can choose. It may be desirable to set the white point of the three color light emitted by the illumination light source 1000 to a desired white point, such as that set by a professional standard. For example, the Society of Movie Picture and Television Engineers (SMPTE) has recommended standards 145-1999, “C-Color Monitor Color Measurements (C-TE)” which describe recommended color gamuts for television and movie images. Color Monitor Colorimetry) ”. According to this criterion, neutral white has color coordinates near (300, 310) using the CIE 1931 color coordinate system.

3色照明光源は、単板式投影システムを照射することを含む多くの用途に使用してもよい。そのようなシステムには、赤色、緑色および青色画像を連続的に生成するために使用される一つの画像形成装置がある。これらの画像を統合し観察者の眼にフルカラーの画像を形成する。単板式投影システムは、液晶画像形成装置、またはその他のタイプの画像形成装置に基づいてもよい。例えば、3色照明光源を単板式投影システムに使用してもよい。   A three-color illumination source may be used for many applications, including illuminating a single-plate projection system. In such a system there is one image forming device used to continuously generate red, green and blue images. These images are integrated to form a full-color image on the observer's eye. The single-plate projection system may be based on a liquid crystal image forming device or other type of image forming device. For example, a three-color illumination source may be used in a single plate projection system.

従って、本発明は上記に示した特別の例に限定されると考えるべきではなく、むしろ付属する特許請求の範囲に適正に明記されるような発明の全態様を網羅するものと理解されるべきである。本明細書を検討すれば、さまざまな修正形態、等価の方法、並びに本発明を適用し得る多数の構造が、本発明が対象とする当業者には容易に明らかであろう。特許請求の範囲は、そのような修正および装置を網羅しようとするものである。   Therefore, the present invention should not be considered limited to the specific examples given above, but rather should be understood to cover all aspects of the invention as appropriately specified in the appended claims. It is. Upon review of this specification, various modifications, equivalent methods, and numerous structures to which the present invention may be applied will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention is directed. The claims are intended to cover such modifications and devices.

添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討すること考慮して本発明はより完全に理解され得る。   The present invention may be more fully understood in view of the following detailed description of various embodiments of the invention in conjunction with the accompanying drawings.

本発明は様々な修正および代替形態を受け入れるが、それらの指定事項は図の中の実施例によって示され、また詳細に説明される。しかしながら、本発明の意図は、説明する特定の実施形態に本発明を限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように、本発明の精神および範囲内にあるすべての修正形態、等価形態および代替形態を網羅しようとするものである。   While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specifics thereof are shown by way of example in the drawings and will be described in detail. It will be understood, however, that the intention of the invention is not intended to limit the invention to the particular embodiments described. On the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

本発明の原理による照明光源の代表的な実施形態を模式的に例示する。Fig. 3 schematically illustrates an exemplary embodiment of an illumination light source according to the principles of the present invention. 照明光源の一部としての発光ダイオードのアレイの実施形態を模式的に例示する。Fig. 3 schematically illustrates an embodiment of an array of light emitting diodes as part of an illumination light source. 本発明の原理による照明光源の別の代表的な実施形態を模式的に例示する。Fig. 5 schematically illustrates another exemplary embodiment of an illumination light source according to the principles of the present invention. 本発明の原理による照明光源の別の代表的な実施形態を模式的に例示する。Fig. 5 schematically illustrates another exemplary embodiment of an illumination light source according to the principles of the present invention. 本発明の原理による照明光源の追加的代表的な実施形態を模式的に例示する。Fig. 4 schematically illustrates an additional exemplary embodiment of an illumination light source according to the principles of the present invention. 本発明の原理による照明光源の追加的代表的な実施形態を模式的に例示する。Fig. 4 schematically illustrates an additional exemplary embodiment of an illumination light source according to the principles of the present invention. 光が発散する別のタイプの反射体による光の反射を例示する。Illustrates the reflection of light by another type of reflector from which light diverges. 光が発散する別のタイプの反射体による光の反射を例示する。Illustrates the reflection of light by another type of reflector from which light diverges. 本発明の原理による照明光源を使用する画像投影システムの実施形態を模式的に例示する。1 schematically illustrates an embodiment of an image projection system using an illumination light source according to the principles of the present invention. 本発明の原理による冷却プレート上のLEDのアレイの実施形態を模式的に例示する。Fig. 3 schematically illustrates an embodiment of an array of LEDs on a cooling plate according to the principles of the present invention. 本発明の原理による2つの波長の光を含む出射を生成する別の照明光源を模式的に例示する。Fig. 4 schematically illustrates another illumination source that produces an output including light of two wavelengths according to the principles of the present invention. 図8に例示されたタイプの照明光源を使用する投影システムの代表的な実施形態を模式的に例示する。9 schematically illustrates an exemplary embodiment of a projection system using an illumination light source of the type illustrated in FIG. 本発明の原理による3つの波長の光を含む出射を生成する別の照明光源の実施形態を模式的に例示する。Fig. 5 schematically illustrates another illumination source embodiment that produces an output comprising three wavelengths of light according to the principles of the present invention.

Claims (27)

第1波長の光を発生可能な発光ダイオード(LED)を含む1つ以上のLEDの配置と、
前記1つ以上のLEDに近接して配置され、第1波長の光によって照射されたとき第2波長の光を放出する蛍光体材料と、
テーパー状光学要素を少なくとも備え、第1波長および第2波長の光が通過する集光ユニットと、
第1偏光状態にある第1波長および第2波長の光を透過し、第1偏光状態に対して直交する第2偏光状態にある第1波長および第2波長の光を反射するように配置された反射偏光子とを備え、
反射偏光子によって反射された第1波長および第2波長の光は、角度範囲を実質的に増加させることなく蛍光体材料に向けられており、
第1波長および第2波長の偏光光を含む出射光ビームを生成する照明光源。
An arrangement of one or more LEDs including a light emitting diode (LED) capable of generating light of a first wavelength;
A phosphor material disposed proximate to the one or more LEDs and emitting light of a second wavelength when illuminated by light of a first wavelength;
A condensing unit comprising at least a tapered optical element, through which light of the first wavelength and the second wavelength passes;
It is arranged to transmit light of the first wavelength and the second wavelength in the first polarization state and reflect light of the first wavelength and the second wavelength in the second polarization state orthogonal to the first polarization state. A reflective polarizer,
The first and second wavelengths of light reflected by the reflective polarizer are directed to the phosphor material without substantially increasing the angular range;
An illumination light source that generates an outgoing light beam including polarized light having a first wavelength and a second wavelength.
第1波長および第2波長の光は、反射偏光子において実質的にテレセントリックである、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the first and second wavelengths of light are substantially telecentric in the reflective polarizer. 反射偏光子は、湾曲した反射偏光子を備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the reflective polarizer comprises a curved reflective polarizer. 湾曲した反射偏光子は、蛍光体材料付近において中心を持つ曲率半径を有する、請求項3に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 3, wherein the curved reflective polarizer has a radius of curvature centered in the vicinity of the phosphor material. 第1波長は青色波長であり、第2波長は緑色波長である、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 1, wherein the first wavelength is a blue wavelength and the second wavelength is a green wavelength. 蛍光体材料は、EuドープのSrGaを含む、請求項1に記載の照明光源。 The illumination light source according to claim 1, wherein the phosphor material includes Eu-doped SrGa 2 S 4 . テーパー状光学要素は、平坦な反射側面を備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the tapered optical element comprises a flat reflective side. テーパー状光学要素は、湾曲した反射側面を備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the tapered optical element comprises a curved reflective side. 集光ユニットは、テーパー状光学要素の出射端部の近傍に配置されたレンズを含む、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 1, wherein the condensing unit includes a lens disposed in the vicinity of the exit end of the tapered optical element. テーパー状光学要素は、内部反射側壁および湾曲した出射面を有する透明体を備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the tapered optical element comprises a transparent body having an internal reflective sidewall and a curved exit surface. 蛍光体材料を通過した第1波長の光の第1部分を反射し、蛍光体材料を通過した第1波長の光の第2部分を透過するように配置された反射性要素をさらに備える、請求項1に記載の照明光源。   And further comprising a reflective element arranged to reflect a first portion of the first wavelength of light that has passed through the phosphor material and to transmit a second portion of the first wavelength of light that has passed through the phosphor material. Item 2. The illumination light source according to Item 1. 反射偏光子は、多層光学フィルム偏光ビームスプリッタおよびミラーを含む、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the reflective polarizer comprises a multilayer optical film polarizing beam splitter and a mirror. 反射偏光子は、ワイヤーグリッド偏光子およびコレステリック偏光子のうちの1つを含む、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the reflective polarizer comprises one of a wire grid polarizer and a cholesteric polarizer. 蛍光体と反射偏光子との間に配置された偏光制御要素をさらに備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 1, further comprising a polarization control element disposed between the phosphor and the reflective polarizer. 反射偏光子は、多層光学フィルム偏光子を含む、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, wherein the reflective polarizer comprises a multilayer optical film polarizer. 前記1つ以上のLEDは、集光ユニットへの入射側から間隔をあけて配置され、
反射体がなければ入射側に入らないような、前記1つ以上のLEDからの光を入射側に向けて反射するように、入射側を少なくとも部分的に囲む反射体をさらに備える、請求項1に記載の照明光源。
The one or more LEDs are arranged at an interval from the incident side to the light collecting unit,
The reflector further comprises at least partially surrounding the incident side so as to reflect light from the one or more LEDs towards the incident side that would not enter the incident side without the reflector. The illumination light source described in 1.
前記1つ以上のLEDに電力を供給するように接続された電源をさらに備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 1, further comprising a power source connected to supply power to the one or more LEDs. 前記1つ以上のLEDの配置は、第3波長の光を発生可能なLEDをさらに備える、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 1, wherein the arrangement of the one or more LEDs further includes an LED capable of generating light of a third wavelength. 反射偏光子は、第1の偏光状態にある第1、第2および第3の波長の光を透過し、第2の偏光状態にある第1、第2および第3の波長の光を反射し、出射ビームは、第3波長の偏光光をさらに含む、請求項18に記載の照明光源。   The reflective polarizer transmits light of the first, second, and third wavelengths in the first polarization state, and reflects light of the first, second, and third wavelengths in the second polarization state. The illumination light source according to claim 18, wherein the outgoing beam further includes polarized light of a third wavelength. 画像形成装置をさらに備え、第2波長の光は画像形成装置に向けらている、請求項1に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 1, further comprising an image forming apparatus, wherein the second wavelength light is directed toward the image forming apparatus. 画像形成装置からの画像を投影するように配置された投影レンズユニットと、画像が投影されるスクリーンとをさらに備える、請求項20に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 20, further comprising: a projection lens unit arranged to project an image from the image forming apparatus; and a screen on which the image is projected. 画像形成装置によって形成された画像を制御するように接続されたコントローラをさらに備える、請求項20に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 20, further comprising a controller connected to control an image formed by the image forming apparatus. 第1波長の光を放射可能な第1の発光ダイオード(LED)、および第1波長とは異なる第2波長の光を放射可能な第2のLEDを含む1つ以上のLEDのアレイと、
第1のLEDからの光が蛍光体材料に入射するように、第1のLED上に配置された蛍光体材料とを備え、
蛍光体によって第1波長の光が第3波長の光に変換されるようにした照明光源。
An array of one or more LEDs including a first light emitting diode (LED) capable of emitting light of a first wavelength and a second LED capable of emitting light of a second wavelength different from the first wavelength;
A phosphor material disposed on the first LED such that light from the first LED is incident on the phosphor material;
An illumination light source in which light having a first wavelength is converted into light having a third wavelength by a phosphor.
第1、第2および第3の波長の光を受光するように配置された集光ユニットをさらに備える、請求項23に記載の照明光源   24. The illumination light source of claim 23, further comprising a condensing unit arranged to receive light of the first, second and third wavelengths. 第1表面および第2表面を有し、液体冷却されたプレートをさらに備え、
第1および第2のLEDは、液体冷却プレートの第1表面に直接取り付けられ、液体冷却剤が前記液体冷却プレートの第2表面に接触している、請求項23に記載の照明光源。
Further comprising a liquid cooled plate having a first surface and a second surface;
24. The illumination light source of claim 23, wherein the first and second LEDs are directly attached to the first surface of the liquid cooling plate and a liquid coolant is in contact with the second surface of the liquid cooling plate.
前記液体冷却プレートは、1mm未満の厚さを有する金属板を含む、請求項25に記載の照明光源。   The illumination light source of claim 25, wherein the liquid cooling plate comprises a metal plate having a thickness of less than 1 mm. 第2波長の光は、蛍光体を通過する、請求項23に記載の照明光源。   The illumination light source according to claim 23, wherein the light of the second wavelength passes through the phosphor.
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